QCM : Sommes, produits et binôme en maths sup (MPSI)
Ce QCM binôme MPSI rassemble les calculs de sommes et de produits demandés dès les premières colles. Il commence par des réflexes simples : nombre de termes d’une somme, changement d’indice sans erreur de bornes, sommes usuelles des entiers, des carrés et des puissances d’un même nombre. Viennent ensuite un produit et une somme télescopiques, puis la factorisation de \(a^5-b^5\).
La fin du questionnaire porte sur les coefficients binomiaux, l’interversion d’une somme triangulaire et la formule du binôme avec un nombre négatif. Réponds d’abord sans le cours, en vérifiant au brouillon sur une petite valeur de \(n\). Lis ensuite chaque explication : elle justifie la bonne réponse et repère l’erreur de bornes ou de facteur derrière chaque piège.
Les 12 questions
Question 1
Combien de termes compte la somme \(\displaystyle\sum_{k=3}^{10}u_k\) ?
- \(7\)
- \(10\)
- \(11\)
- \(8\)
Réponse D.
Entre deux bornes entières \(p\leqslant q\), on compte \(q-p+1\) indices, ici \(10-3+1=8\). La réponse \(7\) fait la simple différence des bornes et oublie donc un terme. La réponse \(10\) suppose que la somme démarre à \(1\). Enfin, \(11\) compte les indices de \(0\) à \(10\), comme si l’on n’avait pas lu la borne du bas.
Question 2
On pose \(j=k-1\) dans \(\displaystyle\sum_{k=2}^{n+1}a_{k-1}\). Quelle écriture obtient-on ?
- \(\displaystyle\sum_{j=1}^{n+1}a_j\)
- \(\displaystyle\sum_{j=3}^{n+2}a_j\)
- \(\displaystyle\sum_{j=1}^{n}a_j\)
- \(\displaystyle\sum_{j=2}^{n}a_j\)
Réponse C.
Les deux bornes subissent le même décalage : \(k=2\) donne \(j=1\), et \(k=n+1\) donne \(j=n\). La réponse qui garde \(n+1\) en haut n’a décalé que la borne du bas. Le piège \(j\) de \(3\) à \(n+2\) ajoute \(1\) au lieu de le retrancher. Enfin, la somme de \(2\) à \(n\) a décalé seulement la borne du haut, ce qui fait perdre un terme.
Question 3
Que vaut \(\displaystyle\sum_{k=11}^{30}k\) ?
- \(399\)
- \(465\)
- \(410\)
- \(430\)
Réponse C.
On retranche deux sommes usuelles : \(\frac{30\times31}{2}-\frac{10\times11}{2}=465-55=410\). On peut aussi faire nombre de termes fois moyenne des extrêmes : \(20\times\frac{11+30}{2}=410\). La valeur \(399\) retranche à tort la somme jusqu’à \(11\), ce qui enlève le terme \(11\). Le nombre \(465\) oublie de retrancher quoi que ce soit. Enfin, \(430\) compte \(21\) termes au lieu de \(20\) dans la seconde méthode.
Question 4
Que vaut la somme des carrés \(\displaystyle\sum_{k=1}^{6}k^2\) ?
- \(441\)
- \(91\)
- \(182\)
- \(216\)
Réponse B.
La formule \(\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\) donne \(\frac{6\times7\times13}{6}=91\), ce que confirme \(1+4+9+16+25+36\). La valeur \(441\) élève au carré la somme \(1+\dots+6=21\) : c’est la somme des cubes, pas celle des carrés. Le nombre \(182\) oublie de diviser par \(6\) et divise par \(3\). Enfin, \(216=6^3\) confond la somme avec une puissance du dernier terme.
Question 5
Que vaut \(\displaystyle\sum_{k=2}^{5}3^k\) ?
- \(364\)
- \(360\)
- \(121\)
- \(1089\)
Réponse B.
On factorise le premier terme : \(3^2\left(1+3+3^2+3^3\right)=9\times\frac{3^4-1}{3-1}=9\times40=360\). La valeur \(364\) fait partir la somme de \(k=0\), donc ajoute \(1+3\). Le nombre \(121\) vaut \(\frac{3^5-1}{2}\) et ignore la borne du bas. Enfin, \(1089\) multiplie bien par \(9\), mais avec cinq termes au lieu de quatre.
Question 6
Pour \(n\geqslant2\), que vaut le produit \(\displaystyle\prod_{k=2}^{n}\frac{k+1}{k-1}\) ?
- \(n+1\)
- \(n(n+1)\)
- \(\frac{n(n+1)}{2}\)
- \(\frac{n+1}{2}\)
Réponse C.
Le numérateur vaut \(3\times4\times\cdots\times(n+1)\) et le dénominateur \(1\times2\times\cdots\times(n-1)\). Les facteurs de \(3\) à \(n-1\) se simplifient, donc il reste \(\frac{n(n+1)}{1\times2}\). Le décalage vaut ici deux crans, et non un seul : la réponse \(n+1\) raisonne comme pour \(\frac{k+1}{k}\). Le produit \(n(n+1)\) oublie le facteur \(2\) du dénominateur. Enfin, \(\frac{n+1}{2}\) perd le facteur \(n\) restant en haut.
Question 7
Que vaut \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\frac{2}{k(k+2)}\) pour \(n\geqslant1\) ?
- \(1-\frac{1}{n+2}\)
- \(\frac{3}{2}-\frac{1}{n+2}\)
- \(2-\frac{2}{n+2}\)
- \(\frac{3}{2}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n+2}\)
Réponse D.
On décompose \(\frac{2}{k(k+2)}=\frac1k-\frac{1}{k+2}\). Le télescopage se fait donc avec un décalage de deux : il reste les deux premiers termes positifs, \(1\) et \(\frac12\), et les deux derniers termes négatifs. Pour \(n=1\), on retrouve bien \(\frac23\). La réponse \(1-\frac{1}{n+2}\) télescope comme si le décalage valait un. Le piège \(\frac32-\frac{1}{n+2}\) oublie un terme négatif. Enfin, \(2-\frac{2}{n+2}\) garde le facteur \(2\) en trop.
Question 8
Quel facteur complète l’égalité \(a^5-b^5=(a-b)\times\big(\ \cdots\ \big)\) ?
- \(a^4+b^4\)
- \(a^4+a^3b+a^2b^2+ab^3+b^4\)
- \(a^4-a^3b+a^2b^2-ab^3+b^4\)
- \((a+b)^4\)
Réponse B.
La formule générale est \(a^n-b^n=(a-b)\sum_{k=0}^{n-1}a^kb^{n-1-k}\). Pour \(n=5\), le second facteur contient donc cinq termes, tous de signe plus. Le piège \(a^4+b^4\) oublie les termes croisés ; avec \(a=2\) et \(b=1\), il donnerait \(17\) au lieu de \(31\). La version à signes alternés sert à factoriser \(a^5+b^5\) par \(a+b\). Enfin, \((a+b)^4\) fait apparaître des coefficients binomiaux qui n’ont rien à faire ici.
Question 9
Pour \(1\leqslant k\leqslant n\), à quoi est égal \(k\dbinom{n}{k}\) ?
- \(n\dbinom{n-1}{k-1}\)
- \(n\dbinom{n-1}{k}\)
- \(k\dbinom{n-1}{k-1}\)
- \((n-1)\dbinom{n-1}{k-1}\)
Réponse A.
On écrit \(k\dbinom{n}{k}=\frac{k\,n!}{k!\,(n-k)!}=\frac{n\,(n-1)!}{(k-1)!\,(n-k)!}\), et l’on reconnaît \(n\dbinom{n-1}{k-1}\). On peut aussi choisir une équipe de \(k\) personnes puis son capitaine, ou d’abord le capitaine puis les \(k-1\) autres. La réponse avec \(\dbinom{n-1}{k}\) oublie de retirer le capitaine. Garder le facteur \(k\) ne simplifie rien. Enfin, \(n-1\) devant le coefficient perd une possibilité de capitaine.
Question 10
On intervertit les deux sommes dans \(\displaystyle\sum_{p=0}^{m}\ \sum_{q=p+1}^{m}c_{pq}\). Quelle écriture obtient-on ?
- \(\displaystyle\sum_{q=1}^{m}\ \sum_{p=0}^{q-1}c_{pq}\)
- \(\displaystyle\sum_{q=0}^{m}\ \sum_{p=0}^{q}c_{pq}\)
- \(\displaystyle\sum_{q=1}^{m}\ \sum_{p=q+1}^{m}c_{pq}\)
- \(\displaystyle\sum_{q=0}^{m}\ \sum_{p=0}^{m}c_{pq}\)
Réponse A.
Les couples parcourus vérifient \(0\leqslant p<q\leqslant m\), inégalité stricte. À \(q\) fixé, \(p\) prend donc les valeurs \(0\) à \(q-1\), et \(q\) ne peut pas valoir \(0\). La réponse qui monte jusqu’à \(p=q\) ajoute la diagonale, absente au départ. Celle où \(p\) dépasse \(q\) somme sur l’autre triangle. Enfin, la double somme complète parcourt tout le carré des indices.
Question 11
Que vaut la somme triangulaire \(\displaystyle\sum_{1\leqslant i\leqslant j\leqslant n}\frac{i}{j}\) ?
- \(\frac{n(n+1)}{4}\)
- \(\frac{n(n+3)}{2}\)
- \(\frac{n}{2}\)
- \(\frac{n(n+3)}{4}\)
Réponse D.
On somme d’abord en \(i\), à \(j\) fixé : \(\frac1j\sum_{i=1}^{j}i=\frac{j+1}{2}\). Il reste \(\frac12\sum_{j=1}^{n}(j+1)=\frac12\left(\frac{n(n+1)}{2}+n\right)=\frac{n(n+3)}{4}\). Pour \(n=2\), on trouve bien \(1+\frac12+1=\frac52\). Le piège \(\frac{n(n+1)}{4}\) oublie la contribution du \(+1\). La réponse \(\frac{n(n+3)}{2}\) perd le facteur \(\frac12\). Enfin, \(\frac n2\) somme dans le mauvais ordre et se trompe d’expression.
Question 12
Pour \(n\geqslant1\), que vaut \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}(-2)^k\) ?
- \((-1)^n\)
- \(3^n\)
- \(0\)
- \(-1\)
Réponse A.
La formule du binôme donne \(\sum_{k=0}^{n}\binom nk(-2)^k1^{n-k}=(1-2)^n=(-1)^n\). La réponse \(3^n\) oublie le signe et calcule \((1+2)^n\). Le résultat \(0\) correspond à \((1-1)^n\), c’est-à-dire à la somme alternée des coefficients. Enfin, \(-1\) n’est juste que pour \(n\) impair : pour \(n=2\), on trouve \(1-4+4=1\).
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths sup (MPSI) sur sommes, produits et binôme
- S’exercer : exercices corrigés sur sommes, produits et binôme
- QCM précédent : QCM : Injections, surjections et relations en maths sup (MPSI)
- QCM suivant : QCM : Formules de trigonométrie en maths sup (MPSI)
- Tous les chapitres : le sommaire de maths sup (MPSI)
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